本發(fā)明涉及材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地說(shuō)，是涉及一種鐵/碳復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：鐵/碳復(fù)合材料是一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型材料，被廣泛應(yīng)用于光催化材料、電極材料、傳感器、污水處理等領(lǐng)域。目前，該材料的合成方法主要有電弧法、離子束法、激光法、化學(xué)氣相沉積法、高溫?zé)崽幚矸ê偷蜏責(zé)峤夥ā＠眠@些制備方法可以合成出不同粒徑尺寸、不同形態(tài)的鐵/碳復(fù)合材料。但是，這些鐵/碳復(fù)合材料的合成方法普遍存在成本高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。比如：電弧法需要特殊的電弧放電裝置和純凈的原材料，但獲得的產(chǎn)物產(chǎn)量卻很少；化學(xué)氣相沉積法需要用到特殊的實(shí)驗(yàn)裝置且合成耗時(shí)較長(zhǎng)；高溫?zé)崽幚矸ㄐ枰辽?500℃以上的高溫，因此不僅能耗高、耗時(shí)長(zhǎng)、而且對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器要求較高。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明由此而來(lái)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明的目的在于提供一種原料來(lái)源廣泛，成本低，適合大規(guī)模推廣的鐵/碳復(fù)合材料及其制備方法，合成的鐵/碳復(fù)合材料可用于去除環(huán)境污染物。為了解決目前現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明第一方面提供的技術(shù)方案是一種鐵/碳復(fù)合材料的制備方法，其包括如下步驟：(1)水熱法碳化原材料選取有機(jī)碳源及溶解性三價(jià)鐵鹽為鐵源，將有機(jī)碳源清洗預(yù)處理后，按碳鐵元素比為10:1-20:1的比例將有機(jī)碳源和鐵源加入反應(yīng)釜中，并加入適量的水將有機(jī)碳源和鐵源充分混合，在一定溫度和時(shí)間下，得到碳化產(chǎn)物；(2)共沉淀-電鍍法還原步驟(1)的產(chǎn)物將步驟(1)中得到的碳化產(chǎn)物用水進(jìn)行清洗，并分散于水相中，然后加入與鐵元素等物質(zhì)的量的還原劑，靜置一段時(shí)間；(3)鐵/碳復(fù)合材料的分離和后處理將步驟(2)中得到的產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，用水清洗固體產(chǎn)物，然后真空干燥，最后即得到鐵/碳復(fù)合材料。優(yōu)選地，有機(jī)碳源選自糖類(lèi)，進(jìn)一步，有機(jī)碳源選自單糖或多糖，更進(jìn)一步，所述有機(jī)碳源選自葡萄糖或稻殼農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物或其混合。優(yōu)選地，所述溶解性三價(jià)鐵鹽選自硝酸鐵、硫酸鐵、氯化鐵。優(yōu)選地，步驟(1)中，將反應(yīng)釜放置于鋼釜內(nèi)，進(jìn)行加熱反應(yīng)。優(yōu)選地，步驟(1)中，充分混合的有機(jī)碳源和鐵源在溫度160-220℃、反應(yīng)時(shí)間8-18小時(shí)條件下，最后得到碳化產(chǎn)物。優(yōu)選地，步驟(2)中的還原劑選自硼氫化鈉。優(yōu)選地，步驟(2)中在室溫條件下，邊攪拌邊緩慢滴加與鐵元素等物質(zhì)的量的還原劑。優(yōu)選地，所述步驟(3)中真空干燥為在真空干燥箱60℃下干燥8-24小時(shí)。本發(fā)明提供的一種鐵/碳復(fù)合材料的制備方法，其包括如下步驟：(1)水熱法碳化原材料首先選用合適的碳源和鐵源。可以利用葡萄糖等有機(jī)原料或稻殼等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物為碳料，用溶解性三價(jià)鐵鹽為鐵源。將碳源清洗預(yù)處理后，按一定的比例與鐵源混合(碳鐵元素比為10:1-20:1)，然后將混合物加入反應(yīng)釜中，并加入適量的水將其充分混合，將反應(yīng)溫度控制在180℃左右，反應(yīng)時(shí)間為8-18小時(shí)；(2)共沉淀-電鍍法還原步驟(1)的產(chǎn)物將步驟(1)中得到的碳化產(chǎn)物用水進(jìn)行清洗并分散于水相中，在室溫條件下邊攪拌邊緩慢加入與鐵元素等物質(zhì)的量的還原劑(硼氫化鈉，NaBH4)，然后靜置約0.5-2小時(shí)；(3)鐵/碳復(fù)合材料的分離和后處理將步驟(2)中得到的產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，將固體產(chǎn)物用水多次清洗以清除殘留的反應(yīng)物，然后放入真空干燥箱，在60℃溫度下干燥至少8小時(shí)，即可得到鐵/碳復(fù)合材料。本發(fā)明首次利用水熱法-共沉淀-電鍍法相結(jié)合的方法來(lái)制備鐵/碳復(fù)合材料。合成過(guò)程可分解為兩個(gè)步驟：首先，采用水熱法將添加有鐵鹽的有機(jī)物原料進(jìn)行碳化；第二，采用適當(dāng)?shù)倪€原劑對(duì)碳化后的產(chǎn)物進(jìn)行還原，從而得到所需的材料。本發(fā)明主要公開(kāi)了一種低成本、簡(jiǎn)單實(shí)用、且環(huán)保的鐵/碳復(fù)合材料的制備方法。與傳統(tǒng)的一步合成方法相比，本發(fā)明中的制備方法分成兩步進(jìn)行，需要的反應(yīng)溫度較低且操作簡(jiǎn)單。第一步采用水熱合成法，反應(yīng)溫度僅約為180℃。第二步中的共沉淀-電鍍反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，因此不僅降低了運(yùn)行能耗而且降低了操作的危險(xiǎn)性。另外,該方法可以適用于淀粉、糖類(lèi)、纖維素以及含有這些物質(zhì)的多種有機(jī)物原料(包括廢棄生物質(zhì))，可顯著降低原料成本甚至可以實(shí)現(xiàn)變廢為寶，這些都顯著提高了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性、環(huán)境友好性和可持續(xù)性。利用該方法得到的鐵/碳材料中鐵元素主要以零價(jià)鐵的形態(tài)固定存在于多孔碳材料的表面和內(nèi)部，碳材料不僅作為負(fù)載零價(jià)鐵的基底而且還對(duì)零價(jià)鐵起到一定的保護(hù)作用。因此，合成的復(fù)合材料既具有零價(jià)鐵良好的還原能力，也具有碳材料對(duì)有機(jī)污染物良好的吸附能力，從而實(shí)現(xiàn)水中有機(jī)污染物更高效的去除。同時(shí)其負(fù)載的鐵元素在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)被緩慢釋放出來(lái)，因此不會(huì)造成鐵元素的浪費(fèi)和形成大量鐵泥。最終，將利用本發(fā)明方法合成的鐵/碳復(fù)合材料應(yīng)用于芬頓高級(jí)氧化體系中，以達(dá)到高效去除水體中污染物的目的。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明制備方法的流程圖。圖2為本發(fā)明制備方法合成的鐵/碳復(fù)合材料。圖2(a)為用稻殼做為碳源合成的材料，圖2(b)為用葡萄糖做碳源合成的材料。圖3(a、b)顯示以葡萄糖為碳源的鐵/碳復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)表征圖。圖4顯示采用不同碳源合成的鐵/碳復(fù)合材料在不同pH下亞鐵離子(Fe2+)的溶出情況。圖5顯示基于鐵/碳復(fù)合材料的芬頓法去除磺胺二甲基嘧啶的效果。具體實(shí)施方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。介紹和概述本發(fā)明通過(guò)舉例而非給出限制的方式來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。應(yīng)注意的是，在本公開(kāi)文件中所述的“一”或“一種”實(shí)施方式未必是指同一種具體實(shí)施方式，而是指至少有一種。下文將描述本發(fā)明的各個(gè)方面。然而，對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可根據(jù)本發(fā)明的僅一些或所有方面來(lái)實(shí)施本發(fā)明。為說(shuō)明起見(jiàn)，本文給出具體的編號(hào)、材料和配置，以使人們能夠透徹地理解本發(fā)明。然而，對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明無(wú)需具體的細(xì)節(jié)即可實(shí)施。在其他例子中，為不使本發(fā)明費(fèi)解而省略或簡(jiǎn)化了眾所周知的特征。將各種操作作為多個(gè)分立的步驟而依次進(jìn)行描述，且以最有助于理解本發(fā)明的方式來(lái)說(shuō)明；然而，不應(yīng)將按次序的描述理解為暗示這些操作必然依賴于順序。將根據(jù)典型種類(lèi)的反應(yīng)物來(lái)說(shuō)明各種實(shí)施方式。對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明可使用任意數(shù)量的不同種類(lèi)的反應(yīng)物來(lái)實(shí)施，而不只是那些為說(shuō)明目的而在這里給出的反應(yīng)物。此外，也將顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明并不局限于任何特定的混合示例。實(shí)施例1鐵/碳復(fù)合材料的制備方法(1)、水熱法碳化有機(jī)物取2g的稻殼，用水進(jìn)行多次清洗去除表面的雜質(zhì)，然后在60℃左右烘干；將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料加入到有效容積為25mL的聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，同時(shí)加入0.005mol的硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)固體，加入15mL去離子水，然后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使反?yīng)物充分混合，由于稻殼的密度小，很容易浮在溶液上面，因此稻殼在反應(yīng)前應(yīng)在清水中充分浸透，使其能充分分散在液相中，將裝好反應(yīng)物的高壓反應(yīng)釜再外加一鋼釜，將該鋼釜放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，將反應(yīng)溫度設(shè)置為180℃，控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)間：稻殼為碳源時(shí)8小時(shí)。(2)、共沉淀-電鍍法還原步驟1中得到的產(chǎn)物將步驟1中得到的產(chǎn)物進(jìn)行抽濾，將得到的固體物質(zhì)用去離子水清洗三次，接著將固體產(chǎn)物放入真空干燥箱中在80℃下干燥6小時(shí)。取出烘干后的固體產(chǎn)物1.5g加入到反應(yīng)器中，并添加200mL的去離子水，超聲5分鐘，使固體顆粒充分分散在水中，在不斷攪拌的同時(shí)，將100mL0.6mol/L的硼氫化鈉(NaBH4)溶液逐滴加入反應(yīng)器中，當(dāng)?shù)渭油瓿珊?，停止攪拌并靜置1小時(shí)。(3)、鐵/碳復(fù)合材料的收集和表征待步驟2完成后，迅速將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行抽濾，并用去離子水對(duì)得到的固體清洗三遍，然后將清洗干凈的固體產(chǎn)物放入真空干燥箱中在60℃干燥8小時(shí)以上，即可得到所要的材料。實(shí)施例2所述的步驟同實(shí)施例1，只是用0.01mol葡萄糖作為碳源，且水熱法碳化有機(jī)物步驟(1)中，反應(yīng)時(shí)間為12小時(shí)。從圖2可見(jiàn)，以稻殼為碳源合成的鐵/碳材料為黑亮色，基本保持稻殼的原始形貌；以葡萄糖為碳源合成的鐵/碳材料則呈黑色粉末狀。一、材料的掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)表征。取以葡萄糖為碳源合成的鐵/碳復(fù)合材料，在表征前對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理。取少量的合成產(chǎn)物，將其輕輕地、均勻地灑在用于測(cè)試的導(dǎo)電膠之上，然后用氮?dú)鈿饬鞔翟搶?dǎo)電膠的表面，將未和導(dǎo)電膠接觸的多余的材料吹走。經(jīng)預(yù)處理后的材料表征結(jié)果如圖3所示。SEM圖顯示有一部分鐵以球形長(zhǎng)在碳基底表面，有一部分鐵以球形長(zhǎng)于碳基底內(nèi)部，EDS圖表進(jìn)一部證實(shí)了鐵和碳元素的存在。表1顯示以葡萄糖為碳源的鐵/碳復(fù)合材料的能譜分析結(jié)果。主要表現(xiàn)了其內(nèi)含有的元素及所占的比例。表1元素Wt％At％C03.2107.98O03.5206.56S89.3183.01Ti03.9602.46二、亞鐵離子(Fe2+)溶出實(shí)驗(yàn)。取利用不同碳源(葡萄糖或稻殼)合成得到的鐵/碳復(fù)合材料20mg，將其均勻分散于50mL的pH＝3、pH＝7、pH＝10的溶液中，溶液的pH值采用稀鹽酸或稀氫氧化鈉溶液來(lái)調(diào)節(jié)。分別在反應(yīng)0分鐘、30分鐘、60分鐘和120分鐘后取樣。每次取樣1mL，然后測(cè)試溶液中亞鐵離子(Fe2+)的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。亞鐵離子的釋放量在30分鐘內(nèi)很快，說(shuō)明負(fù)載于碳基底表面的鐵大量溶于水體中變成亞鐵離子，30分鐘以后逐步減弱并趨于平緩，說(shuō)明分布在碳基底內(nèi)部的鐵逐漸溶出。該結(jié)果說(shuō)明合成的鐵/碳復(fù)合材料在很寬的pH范圍內(nèi)都能夠緩慢釋放亞鐵離子，從而能為后續(xù)的芬頓反應(yīng)過(guò)程不斷提供亞鐵離子以保證污染物的高效穩(wěn)定降解。三、利用實(shí)施例1、2合成的鐵/碳復(fù)合材料去除水中的有機(jī)污染物往含有20mg/L磺胺二甲基嘧啶的水溶液中加入20mg合成的復(fù)合材料，并且加入20μL過(guò)氧化氫，構(gòu)成芬頓反應(yīng)體系。監(jiān)測(cè)反應(yīng)器在不同pH條件下反應(yīng)2h后的污染物去除情況。有機(jī)物去除效果如圖5所示。磺胺二甲基嘧啶的去除率為60％-80％，說(shuō)明合成的鐵/碳復(fù)合材料在很寬的pH范圍內(nèi)都能應(yīng)用于芬頓反應(yīng)體系并取得較好的污染物降解效果，但在酸性條件下效果更好。另外，對(duì)比以不同碳源得到的鐵/碳復(fù)合材料可看出，以稻殼為碳源的鐵/碳復(fù)合材料普遍具有更高的去除效率。這說(shuō)明利用稻殼等農(nóng)業(yè)固體廢棄物作為碳源合成鐵/碳復(fù)合材料具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景以上所述具體實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)或替換，這些改進(jìn)或替換也應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3